IPv6技术及在城域网中的应用

IPv6技术及在城域网中的应用摘要在当今社会，互联网业务发展迅速，使得IPv4网络已无法赶上业务的发展，从而无法满足互联网业务的发展需求。在我国，运营商业务用户和互联网业务用户世界排名前列，随着IPv4地址可用数的逐渐减少，运营商和互联网业务也即将受到很大阻碍，而运营商和宽带技术的发展需要更多的IP地址，因此在城域网中构建IPv4/IPv6并存的解决方法，对于使得IPv4平稳、安全得过渡到IPv6有很大的意义。文中首先介绍了IPv6不同于IPv4的技术特点，目前IPv4网络存在很多的不足，因此实现IPv4到IPv6的过渡非常的重要。文中也介绍了可实现过渡的三种主要的技术：双协议栈技术、隧道技术及协议转换技术。并在城域网现状基础之上，通过分析IPv6城域网的地址分配机制、过渡方案和宽带业务的实现等方面，综合考虑城域网的网络现状、分析用户需求以及技术可实施性，结合移动城域网在向下一代互联网过渡中业务接入的承载需求，自整体上制定了一套IPv6城域网的系统改造方案，从城域网的组网方案、业务的实现流程以及网络安全等方面来做整体规划，主要针对IPv6城域网改造的目的、方案的具体实施步骤和宽带业务在IPv6协议方面的的实现。最后详细介绍组网中所涉及的某些网络设备的配置和测试结果，并且根据测试结果得出相应结论。关键字：城域网IPv4IPv6双栈

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1前言 前言1.1本文研究背景全球互联网与运营商业务的迅速发展带来了对IPv4地址资源的海量需求，与此同时，IPv4地址资源的紧张给IP技术的应用和发展带来的局限性。目前全球IPv4的存量已经即将耗尽，已无更多地址可分配，与此同时，已分配的IPv4地址使用率已经很高。而我国的IPv4地址使用数最多，地址资源的匮乏，限制了运营商和互联网业务的发展，对运营商和家宽技术的发展限制尤为明显，所以在城域网中构建IPv4/IPv6并存方案具有很大的实现意义和价值。1.2国内外研究现状IPv4标准是20世纪70年代开始制定的，当时IPv4标准建立的初衷是实现该技术在异种计算机上的应用，当时也没有预料互联网技术发展如此迅猛，也没有想到IP网络会与运营商通信技术结合起来，并且会成为在当今社会占用及其重要地位的通信业务的一部分。随着IPv6技术的在全球的不断普及，全世界各国都已陆续申请IPv6地址并开始陆续展开部署工作。于2012年6月6日，国际互联网协会举办了“世界IPv6启动日”，这寓意着IPv6技术的引入将进入正式实施的阶段。全世界已陆续在各国开展IPv4业务向IPv6业务的过渡部署工作。由于历史的问题，其他国家在IPv4发展中占有优于我国的地位，该问题导致我国补鞥呢获取到更优的IPv4资源，而随着我国互联网、运营商业务的飞速发现，想要改变这一现状，必须积极参与IPv6过渡改造工作中去。IPv6将成为未来的发展趋势，将引领大量相关技术和服务的发展，提高我国信息通信产业的综合实力,为我国的信息产业带来新的发展和机遇。到目前为止，最新生产的大部分网络产品和应用程序都已经达到了可以支持IPv6功能的状态，并且大家也都在为IPv6的发展做着各项准备工作。1.3研究目的和意义目前基于IPv4的基础网络设备和操作系统已经非常的成熟健全，并且遍及互联网的每一个层面。与IPv4相比，IPv6协议有很多IPv4不具备的功能和优点，但是在目前的情况下，IPv6是不可能完全并且彻底的替换IPv4协议在网络中的应用，这需要在保证不影响网络正常使用的情况下逐步替换和过渡，因此，这将是一个持久战，IPv6必将与IPv4协议同时存在于网络中很长一段时时间，如需实现此需要，必须有相关的且较为完善的过渡技术来做支撑，本文通过对城域网现状进行研究和分析，结合网络过渡技术，总结出了一个既不影响现网业务，也能实现城域网向IPv6过渡的规划部署方案。该研究对于运营商实现城域网IPv6改造具有重要的推进作用。2IPv6特点及其过渡技术2.1IPv6区别于IPv4的特点如今的互联网基本还是运行在在IPv4网络的基础上，但目前都在逐步普及的IPv6协议既保留了IPv4协议本身的核心网络技术，又对整体的IPv4网络做了相应的优化：（1）可用地址数增加。IPv4的IP地址长度最大只能达到32，但是IPv6的地址长度最大可达到128，地址数有了明显的增长。（2）缩小了路由表的长度。IPv6地址的分配严格按照聚类的方式，某区域内的网络还能分配某范围内的地址，因此在路由器中一条路由代表着某区域内所有网络设备，缩短了路由长度，从而增加了路由器路由转发的速度。（3）可以更好的支持组播和流业务。组播业务和流业务是未来的发展趋势，IPv6对该业务的支持为后期网络更好的发展创造了更好的条件和基础。（4）可以支持自动配置功能。该改进是对DHCP协议的改进和延伸，使得网络（特别是局域网）的管理变得更为方便和快捷。（5）提高了安全性。用户在IPv6网络中，安全性大大提高，在正常数据转发的同时可以对网络层的数据进行加密，与此同时，还可以对IP报的文进行校验核对。2.2IPv4/IPv6过渡主要阶段由于实现IPv4网络向IPv6网络的过渡，涉及到网络协议的变化，这边导致网络整体的每个层次都会受到影响，因此，这必将是一个非常复杂的过渡过程，IPv4网络到IPv6网络的过渡从涉及网络各个层次来看，可以主要分成4个部分：（1）整体上层网络层搭建的过渡；（2）用户终端设备的过渡；（3）网络应用程序的过渡；（4）IPv4到IPv6网络并存互通的过渡。网络的整体过渡必须完成这4部分的过渡，只有这4部分全部过渡完成，整体改造才算得上是完成。因此，不可能一次性将IPv4协议完全转换成IPv6协议，必须逐步完成过渡，而在整个过渡过程中，以IPv6和IPv4协议将同时存在。在不影响现网业务的情况，要实现IPv4到IPv6的过渡，必须制定相应的方案来适应该过渡，以保证网络过渡的平稳性。具体的实施阶段主要分为以下三个阶段：（1）第一个阶段，IPv6发展的初期阶段。该阶段，IPv6协议刚刚开始实施，现网中主要是IPv4网络基础之上运行，IPv6业务只能承载部分业务。此时，只能采用隧道技术来隔离IPv6技术的运行。（2）第二个阶段，IPv4和IPv6的共存阶段。该阶段，IPv6业务逐渐发展，越来越多的网络中出现IPv6，虽然有些骨干网络已经开始应用IPv6，但IPv6没有完全替代IPv4网络，只能做到两种业务量持平。此时只用隧道技术不能完全解决过渡阶段的问题，这就需要用到协议转换技术。（3）第三个阶段，IPv6占成为主要网络的阶段。该阶段，IPv6业务已替代大部分IPv4业务，大部分业务已经在IPv6协议上运行，只有少部分业务运行在IPv4协议上。因此便需要隧道技术来隔离少部分的IPv4业务。2.3IPv4到IPv6过渡技术从IPv4过渡到IPv6的过程中，既要保证现网业务不受影响，也要保证两种业务正常且逐步过渡，从而实现两种技术的无缝、平稳的衔接过渡；目前比较主流且成熟的过渡技术有以下三种：双协议栈技术、隧道技术和协议转换技术。以下分别进行介绍这三个技术。2.3.1双栈技术双栈技术是目前应用比较广泛且较为成熟的技术，是指在网络上同时运行两种不能互通的协议，通过此技术来实现IPv4和IPv6的同时独立运行，使得网络同时具备承载IPv6和IPv4业务的能力。公网双栈技术是IPv4向IPv6平滑过渡的最直接和最简单的方法，该技术需要端到端的各设备和应用都必须既支持IPv4技术又支持IPv6技术，IPv4业务和IPv6业务各自维护自己的路由表。该技术可以时间IPv6技术的快速部署，但是仍旧不能完全替代IPv4技术，并且本质不能根治IPv4资源匮乏的问题。对于用户终端而言，“双栈”的主要功能是在用户访问某项业务时，首先通过DNS解析相应的地址来判断该资源为IPv6资源还是IPv4资源。如果DNS解析出的地址为IPv4的目的地址，则业务以IPv4的方式进行访问；如果DNS解析出的地址为IPv6地址，并且网络中各环节设备均支持IPv6技术，则业务以IPv6的方式进行访问。但如果网络中设备既支持IPv4技术，也支持IPv6技术，此时优先使用IPv4资源来运行。如果采用该技术，需要设备同时支持IPv4和IPv6技术，不具备该功能的设备需要陆续升级更替，并且两个协议同时并存需要更多的协议和数据，需要更细致的区域划分，因此会维护的难度和运行成本。同时，每个节点的设备需要同时拥有一个IPv4地址和一个IPv6地址，会造成IP地址资源的浪费，所以只能作为临时的过渡技术。2.3.2隧道技术隧道技术是现在网络环境中主要使用的一种技术，就是把一种协议封装成另一种协议的形式来进行传输的一种技术。目前网络中IPv4业务占主导地位，并且网络中大部分设备还不具备IPv6的功能，部分IPv6的改造无法在独立的环境中进行，需要借助IPv4的网络通道来完成，因此就需要在网络设备之间开辟独立的通道来完成IPv6业务的转发。隧道技术是在IPv4技术中建立一条专门的通道，该通道只允许IPv6的数据包进行转发，很好的将IPv6和IPv4技术隔离起来，但又保证了IPv6的正常通信。此技术的优点包括以下几个方面：（1）之前IPv4网络和设备不需要即刻改造和替换，可随着IPv6的逐步改造慢慢进行替换；（2）在保证现网网络结构和资源不变的情况下，用户PC仍旧可以访问IPv6业务资源；（3）可以使IPv6在端到端中某条特定的通道中完成数据包的转发，而对于用户来说基本无太大改变；（4）主机无需专门知道通道中每个IPv6地址的信息，只需知道各环节设备的IPv4地址即可。IPv6改造虽然最终的目的是使业务完全由IPv6承载，但目前现网网络中每个环节存在设备较多，而IPv4资源也相当匮乏，不可能所有设备完全升级替换成具备IPv6功能的设备后再开始改造，这就需要在现有网络中搭建专门通道，保证IPv6业务的转发，而该过程只需升级隧道两端的设备，既缩短改造时间，又促进的IPv6的过渡进度。2.3.3协议转换技术协议转换技术是利用协议的转换来实现不同协议之间的相互访问，比如私网用户访问公网地址，这就需要在中间某环节使用NAT转换技术使得用户的私网转换成公网去访问公网地址。该技术不存在应用上的互联互通问题。该技术的优点是：节省了IPv4地址的使用，可以多个用户对应一个公网地址；对于IPv6和IPv4网络的应用程序是完全透明的；数据报文转发简单，无需单独增加路由开销；协议网络的扩展性较好。缺点是：增加协议转换便需要进行专门的转换阶段，便会需要更多的时间；协议转换所涉及设备出现故障便会导致网络故障，业务无法正常运行；增加了网络处理时延和路由的复杂性。协议转换技术可以实现多个用户对应同一个公网地址，缓解了公网地址紧缺的问题，可以实现IPv4到IPv6的慢慢过渡，对运营商家宽业务的发展提供了很有利的支撑。但未来网络单纯依赖协议转换来解决地址短缺是不可行的，该问题并不能完全解决地址匮乏的问题，只能得到暂时的缓解，并且该技术使得运营商无IPv6改造压力，降低IPv6改造的速度。3城域网的IPv6过渡方案城域网体系较大，业务发展较多，如果IPv4直接过渡到IPv6会有很大影响，并且组网中大多数设备可能不具备IPv6功能，需要升级、替换，因此最优的方案是在保证原网络资源不变的情况下，逐步对网络进行改造，充分利用现有网络资源，保证IPv6业务资源能够在IPv4网络中转发，具备IPv6功能的用户可以实现业务的访问。对于设备的升级改造，软件升级解决是最简单易行的，所以应该通过升级使得设备具备IPv6功能，然后在完成硬件的替换升级，以实现稳妥可靠地从IPv4网络向IPv6网络的平稳过渡工作。IPv6改造前，城域网中接入用户均是IPv4用户，IPv4网络健全，改造过程中，既要保证不对该用户业务产生影响，也尽可能的充分利用现有资源，使得IPv6业务在此基础上逐步发展，即在现有网络基础上，使得设备具备双栈功能，建立隧道，保证IPv6技术能够独立运行。3.1过渡期组网方案北京移动城域网IPv4网络逐步向IPv6网络过渡应遵循“先核心、后边缘”的部署原则：首先，必须用户接入的网络环境能够既支持IPv4，又支持IPv6业务，使得用户可以访问两种业务；其次，在上层核心设备搭建专门通道保证IPv6业务能够正常运行；然后，改造部分用户访问的资源，提供专门的IPv6可访问资源；完成全网改造，保证网络中各个节点设备均支持IPv5特性，以保证IPv6特性得以施展。3.2IPv6接入层过渡方案对于用户来说，PPPoE接入方式的逐层配置结构没有变化，只是PPPoE协议族中增加了IPv6CP协议，因此在接入网部署IPv6时，这就需要网络整体从接入到骨干端到端都支持IPv6协议，但现网中大部分均为IPv4用户，需要通过升级或设备替换来完成，但是此改造不能给用户增加成本，所以需要在保证原IPv4网络正常使用的情况下为用户提供IPv6的网络。IPv6协议是独立与接入层设备交互信息的，所以目前北京移动城域网要求接入层的三层设备必须支持IPv6，但接入层无法实现短时间内全部完成IPv6改造，这就要求必须同时支持双协议栈。文中建议将现有的IPv4的接入层或汇聚层等设备升级为双栈，以提供用户IPv6接入；以实现IPv6用户可以通过隧道等过渡技术实现访问、互访IPv4以及IPv6网络。如果网络中实现IPv6的全过渡，必须保证接入层设备支持IPv6协议，如计算机、光猫等。3.3IPv6核心层过渡方案通过升级城域网中各节点网络设备版本，使其具备IPv6功能，并开启IPv6功能，保证设备能够同时运行IPv4和IPv6功能，使其具备承载IPv4和IPv6业务流量能力。具体情况如下：（1）对于支持IPv6协议功能的设备，直接开启IPv6协议栈功能；（2）对于不支持IPv6的设备，通过升级软件并开启IPv6功能；（3）对于不支持IPv6并且无法通过升级来实现IPv6功能的设备，逐步通过机框替换的方式来使其具备IPv6功能。对于某些有特殊的需求急需接入IPv6功能，但是又无法通过设备升级和替换来实现的，通过新增设备来实现该功能，提供IPv6环境。3.4IPv6城域网的配置3.4.1城域网BRAS设备关于IPv6配置说明及规范（1）全局开启IPv6功能配置说明：在设备全局模式下IPv6功能，使设备能够使用IPv6协议。规范要求：正常情况下，IPV6协议默认关闭，需要在全局模式下开启IPV6功能才可运行IPv6协议。（2）IPv6管理地址的配置配置说明：进入设备LOOPBACK接口来配置IPv6地址。规范要求：在接口下开启IPv6功能后，按照之前已规划的IPv6规划表，未每台设备配置相应的IPv6地址。（3）上联三层接口配置配置说明：在BRAS/CR的上行口开启IPv6工鞥那并配置相应的地址。规范要求：在接口下开启IPv6功能后，按照之前已规划的IPv6规划表，未每台设备配置相应的IPv6地址。（4）下联OLT开启IPv6功能配置说明：在BRAS下联的OLT业务接入口开启IPv6功能，使其支持PPPOE接入。规范要求：OLT设备需要具备同时给接入用户分配双栈IPv4和IPv6地址的能力。但用户是否使用双栈由用户设备系统决定。（5）ISIS路由配置配置说明：ISISIPv6路由配置，在BRAS设备的LOOPBACK接口以及三层上联接口开启ISISIPv6功能。规范要求：本次部署均采用ISISIPv6多拓扑模式进行部署。（6）配置静态路由配置说明：配置设备的IPv6静态路由。规范要求：注意IPv6与IPv4的静态路由和缺省路由的地址格式的区别。（7）BGP路由配置配置说明：配置BGP承载业务路由，与上联设备之间建立邻居关系，支持接收双栈路由，发布NAT转换的CGN公有地址池的汇总路由、IPV6用户地址池的总路由。规范要求：BGP4+利用BGP的多协议扩展属性来实现IPv6网络中的应用，设备的原有路由机制不变。3.4.2城域网CR-NE5000E设备关于IPv6配置说明及规范（1）配置ISIS路由配置说明：配置ISISIPV6协议，在全网发布城域网内用户UNR路由和设备路由，使得全网均能学到该路由。规范要求：配置与CR连接的所有BRAS、SR的端口均开启ISISIPV6功能。（2）EBGP路由配置城域网与骨干网之间均开启IPv6功能，并配置IPv6协议栈。骨干路由器和城域网出口路由器之间直接运行eBGP4+协议。规范要求：城域网到骨干网之间：通过完全匹配向骨干网发布城域对应的IPv4和IPv6汇总路由和用户路由。骨干网->城域网：发布国内IPv4和IPv6汇总路由和缺省路由。（3）IBGP路由配置配置说明：IBGP协议运行在城域网核心层与业务接入控制层，负责发布用户路由。规范要求：均发Community给IBGP4+邻居。（4）静态路由配置配置说明：配置IPv6静态路由，包括到CR之间、本地上行汇总路由、互联设备之间的静态路由等。规范要求：IPv6地址，但是与IPv4要求类似3.5测试内容及结果3.5.1测试网络拓扑图3-1北京城域网拓扑3.5.2测试内容及结果表3-1测试内容及结果测试项目IPv6基本功能验证测试测试目的验证IPv6基本功能及PPPoE双栈连通性测试环境参考测试网络拓扑图测试步骤按照拓扑图建立测试环境；配置BRAS下发给光猫WAN口IPv6前缀及Pool；配置BRAS下发给光猫用来给终端分配的IPv6前缀及Pool；配置BRAS远端Radius认证并使用测试账号hometest01认证；认证通过，查看光猫WAN口学习到IPv4和IPv6地址及终端PC的地址；测试IPv4和IPv6连通性。预期结果光猫WAN口获取IPv4地址和IPv6地址及IPv6DNS；终端PC获取光猫下发的IPv4私网地址；终端PC获取BRAS下发的IPv6地址和IPv6DNS；能打开测试网站。测试结果通过不通过测试说明1、光猫WAN口设置图3-2光猫WAN口设置2、光猫LAN口设置图3-3光猫LAN口设置3、光猫获取地址图3-4光猫获取IPv4地址图3-5光猫获取IPv6地址4、终端PC获取地址图3-6终端获取的地址图3-7终端获取的DNS地址5、BRAS用户上线信息<BJ***-PA-CMNET-BRAS1>disaccess-useruser-id28363Useraccessindex:28363State:UsedUsername:hometest01Domainname:Backupfrom(IPv4):LocalBackupfrom(IPv6):LocalRUIuserstate:SlaveUseraccessinterface:GigabitEthernet5/0/0.2018UseraccessPeVlan/CeVlan:2018/780Useraccessslot:5UserMAC:bc3f-8f50-a432UserIPaddress:0UserIPnetmask:55Usergatewayaddress:UserPrimary-DNS:0UserSecondary-DNS:2UserIPv6InterfaceID:F98D-285C-0677-ADA2UserIPv6linkLocaladdress:FE80::F98D:285C:677:ADA2UserIPv6NDRAPrefix:2409:8A00:1:18::/64UserIPv6PDPrefix:2409:8A00:10:80::/60IPv6DUID:00030001BC3F8F50A432UserIPv6Primary-DNS:2409:8080:8200:10:1000::1UserIPv6Secondary-DNS:2409:8080:8400:10:1000::1UserAuthenIPType:ipv4/ipv6/ipv6-pdUserBasicIPType:-/-/-IPv6addressassignmentprotocol:NDRAIPv6configurationinformationallocationprotocol:DHCPv6IPv6CPAssignInterfaceid:DisableUserIPv6lease:2018-06-2518:27:282018-06-2818:27:28RemainIPv6lease:181075UserMSIDSNname:-EAPuser:NoMD5end:NoMTU:1492IPv6MTU:1492MRU:1492Vpn-Instance:-IPv6Vpn-Instance:-Useraccesstype:PPPoEUserauthenticationtype:PPPauthenticationRADIUS-server-template:bjyd-3Server-templateofsecondacct:-Agent-Circuit-Id:/0/5/2/11/4857544368A5179AAgent-Remote-Id:-Access-line-idInformation(pppoe+):01273139322e3137302e3132302e322f302f352f322f31312f343835373534343336384135313739410200Access-line-idInformation(pppoe+):'/0/5/2/11/4857544368A5179ACurrentauthenmethod:RADIUSauthenticationAuthenresult:SuccessCurrentauthormethod:IdleAuthorresult:SuccessActionflag:IdleAuthenstate:AuthedAuthorstate:IdleConfiguredaccountingmethod:RADIUSaccountingQuota-out:OfflineCurrentaccountingmethod:RADIUSaccountingRealtime-accounting-switch:OpenRealtime-accounting-interval(sec):86400(Radius)Realtime-accounting-send-update:NoRealtime-accounting-traffic-update:NoAccessstarttime:2018-06-2518:27:24Accountingstarttime:2018-06-2518:27:24Onlinetime(h:min:sec):21:42:11Accountingstate:AccountingSessiontimelimit:806400second(Radius)Timeremained(s):728269(s)Idle-cutdirection:BothIdle-cut-data(time,rate,idle):0sec,60kbyte/min,0min0secIpv4Realtimespeed:2kbyte/minIpv4Realtimespeedinbound:2kbyte/minIpv4Realtimespeedoutbound:0kbyte/minIpv6Realtimespeed:5kbyte/minIpv6Realtimespeedinbound:0kbyte/minIpv6Realtimespeedoutbound:5kbyte/minInboundqosconfiguration:User-CARInboundcir:12583(kbps)(Radius)Inboundpir:12583(kbps)(Radius)Inboundcbs:1572864(bytes)(Radius)Inboundpbs:2353021(bytes)Outboundqosconfiguration:User-queueOutboundcir:19661(kbps)(Radius)Outboundpir:19661(kbps)(Radius)Effectiveslot:5User-caroutboundcir:19661(kbps)User-caroutboundpir:19661(kbps)User-caroutboundcbs:3676607(bytes)User-caroutboundpbs:3676607(bytes)Linkbandwidthautoadapt:DisableUpPriority:UnchangeableDownPriority:UnchangeableMulticast-profile:-Multicast-profile-ipv6:-MaxMulticastListNumber:4IGMPenable:YesUser-Group:-Next-hop:-Policy-route-IPV6-address:-Ifflowinfocontainl2-head:YesFlow-Statistic-Up:YesFlow-Statistic-Down:YesUppacketsnumber(high,low):(0,287453)Upbytesnumber(high,low):(0,44421700)Downpacketsnumber(high,low):(0,322450)Downbytesnumber(high,low):(0,311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